JPH08200865A - Cryogenic refrigerator - Google Patents
Cryogenic refrigeratorInfo
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- JPH08200865A JPH08200865A JP1483095A JP1483095A JPH08200865A JP H08200865 A JPH08200865 A JP H08200865A JP 1483095 A JP1483095 A JP 1483095A JP 1483095 A JP1483095 A JP 1483095A JP H08200865 A JPH08200865 A JP H08200865A
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- JP
- Japan
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- pressure
- gas
- valve
- compressor
- expander
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Links
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
- F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
- F25B2309/00—Gas cycle refrigeration machines
- F25B2309/006—Gas cycle refrigeration machines using a distributing valve of the rotary type
Landscapes
- Compressors, Vaccum Pumps And Other Relevant Systems (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【目的】 膨張機の膨張空間を圧縮機の吐出側、吸入側
と選択的に連通するための切換バルブを迅速、かつスム
ーズに動作させる。
【構成】 切換バルブ63の第1圧力室63cをバルブ
モータ54と接続し、第2圧力室を膨張機2の膨張空間
5と接続し、高圧と低圧との差圧により切換バルブ63
の弁体63bを動作させる。
(57) [Summary] [Purpose] A switching valve for selectively communicating the expansion space of the expander with the discharge side and the suction side of the compressor is operated quickly and smoothly. [Structure] The first pressure chamber 63c of the switching valve 63 is connected to the valve motor 54, the second pressure chamber is connected to the expansion space 5 of the expander 2, and the switching valve 63 is connected by the differential pressure between high pressure and low pressure.
The valve element 63b is operated.
Description
【0001】[0001]
【産業上の利用分野】この発明は極低温冷凍機に関し、
さらに詳細にいえば,膨張機のシリンダ内でディスプレ
ーサをガス圧により往復動させて、ディスプレーサの往
復動に伴う冷媒ガスの断熱膨張により極低温レベルの寒
冷を発生させる極低温冷凍機に関するものである。This invention relates to a cryogenic refrigerator,
More specifically, the present invention relates to a cryogenic refrigerator in which a displacer is reciprocated by gas pressure in a cylinder of an expander, and adiabatic expansion of a refrigerant gas accompanying the reciprocating motion of the displacer generates cryogenic refrigeration. .
【0002】[0002]
【従来の技術】従来より、この種の極低温冷凍機とし
て、GM(ギフォード・マクマホン)サイクルの冷凍サ
イクルを有するガス圧駆動式のGM冷凍機が知られてい
る。この冷凍機の膨張機はシリンダと、該シリンダ内に
往復動可能に配置されたディスプレーサおよびスラック
ピストンとを備えてなり、ディスプレーサによりシリン
ダ内の先端に膨張室が区画され、この膨張室はディスプ
レーサ内のリジェネレータを介してシリンダ基端側の空
間に連通している。スラックピストンは、シリンダの基
端側に該基端側空間をガス給排室と中間圧室とに区画す
るように配置され、かつディスプレーサに対し所定スト
ロークの間隔をあけて係合している。上記中間圧室はサ
ージボリュームに連通されている一方、ガス給排室は圧
縮機の吐出側及び吸込側にそれぞれ接続される高圧ガス
入口及び低圧ガス出口に連通している。そして、ガス給
排室ないし膨張室に対する冷媒ガスの給排を周期的に切
り換えることで、ガス給排室と中間圧室との差圧により
スラックピストンを移動させてディスプレーサを往復動
させ、このディスプレーサの往復動に伴う冷媒ガスの膨
張室での膨張により膨張室周りのシリンダに寒冷を発生
させるようになされている。2. Description of the Related Art Conventionally, a gas pressure drive type GM refrigerator having a GM (Gifford McMahon) cycle refrigeration cycle has been known as a cryogenic refrigerator of this type. The expander of this refrigerator comprises a cylinder, and a displacer and a slack piston that are reciprocally arranged in the cylinder. The displacer defines an expansion chamber at the tip of the cylinder. Through the regenerator of the above to communicate with the space on the base end side of the cylinder. The slack piston is arranged on the base end side of the cylinder so as to divide the base end side space into a gas supply / discharge chamber and an intermediate pressure chamber, and is engaged with the displacer at a predetermined stroke interval. The intermediate pressure chamber communicates with the surge volume, while the gas supply / discharge chamber communicates with a high pressure gas inlet and a low pressure gas outlet connected to the discharge side and the suction side of the compressor, respectively. Then, by periodically switching the supply / discharge of the refrigerant gas to / from the gas supply / discharge chamber or the expansion chamber, the slack piston is moved by the pressure difference between the gas supply / discharge chamber and the intermediate pressure chamber to reciprocate the displacer. The refrigerant gas expands in the expansion chamber due to the reciprocal movement of the cylinder, causing cold to be generated in the cylinder around the expansion chamber.
【0003】そして、上記ガスの給排を切り換える場
合、大別してモータや電磁弁等、電気的アクチュエータ
を用いるものと、特開昭58−190665号公報に示
されるように膨張機でのガス圧の変動を利用するように
したものとに分れる。ところで、近年、超電導デバイス
の1つとして、ジョセフソン効果を利用した超電導量子
干渉素子(Superconductive Quantum Interference Dev
ice:以下、SQUIDと略称する)が注目されている。
このSQUIDに超電導コイルからなる磁束入力回路を
接続することにより、例えば生体内に流れる微小電流に
伴う磁界や体内の微小磁石からの磁界等、極めて微弱な
磁束を測定するようにしたマグネトメータを得ることが
できる。When switching the supply and discharge of the gas, it is roughly classified into one using an electric actuator such as a motor and a solenoid valve, and the gas pressure in the expander as disclosed in JP-A-58-190665. It can be divided into those that use fluctuations. By the way, in recent years, as one of superconducting devices, a superconducting quantum interference device (Superconductive Quantum Interference Dev.
Ice: hereinafter abbreviated as SQUID) is drawing attention.
By connecting a magnetic flux input circuit composed of a superconducting coil to this SQUID, a magnetometer capable of measuring an extremely weak magnetic flux such as a magnetic field accompanying a minute current flowing in a living body or a magnetic field from a minute magnet in the body is obtained. be able to.
【0004】しかし、このSQUIDを作動温度レベル
に冷却するために、上記した電気アクチュエータを有す
るガス圧駆動式のGM冷凍機を利用する場合、冷凍機に
はモータや電磁弁等、磁束を発生するアクチュエータが
設けられているため、このアクチュエータからの磁束が
有害なノイズとなって検出され、その測定精度が低下す
るという不都合がある。However, when a gas pressure drive type GM refrigerator having the above-mentioned electric actuator is used to cool the SQUID to an operating temperature level, a magnetic flux is generated in the refrigerator, such as a motor or a solenoid valve. Since the actuator is provided, there is a disadvantage that the magnetic flux from the actuator is detected as harmful noise and the measurement accuracy is reduced.
【0005】そこで、従来、上記バルブモータの影響を
低減するために、膨張機におけるバルブ及びバルブモー
タをシリンダ部分と分離し、バルブモータアッセンブリ
とシリンダアッセンブリとを配管で接続することによ
り、バルブモータをSQUIDつまりシリンダ先端から
離して、バルブモータからの磁束による有害なノイズを
低減するようにした別体型のものが提案されている(例
えば“NASA ConferencePublication 2287”に発表され
た論文“Gifford-Mcmahon Refrigerator With Split Co
ld Head ”および1988.8.18 〜 8.19 に開催された会議
“5th International Cryocooler Conference ”での米
国論文“Development of A Hybrid Gifford-Mcmahon Jo
ule-Thompson Based Neuromagnetometer,Cryosquid”参
照)。Therefore, conventionally, in order to reduce the influence of the valve motor, the valve and the valve motor in the expander are separated from the cylinder portion, and the valve motor assembly and the cylinder assembly are connected by a pipe, so that the valve motor is SQUID, that is, a separate type is proposed in which the harmful noise due to the magnetic flux from the valve motor is reduced away from the tip of the cylinder (for example, the paper “Gifford-Mcmahon Refrigerator With” published in “NASA Conference Publication 2287”). Split Co
ld Head "and the paper" Development of A Hybrid Gifford-Mcmahon Jo "at the conference" 5th International Cryocooler Conference "held from August 18, 1988 to August 19, 1988.
ule-Thompson Based Neuromagnetometer, Cryosquid ”).
【0006】[0006]
【発明が解決しようとする課題】ところが、バルブモー
タがシリンダ部分と一体化されている一体型の膨張機で
は、高低圧ガスが圧縮機との間で循環しており、シリン
ダの低温端(先端)でガスが奪った圧縮熱はガスが圧縮
機に戻る間に放出されるので問題は生じないが、上述し
たような別体型の膨張機では、圧縮機との間を循環する
冷媒ガス量が減少し、このためシリンダの低温端(先
端)でガスが奪った圧縮熱は十分には放出されず、シリ
ンダの常温部(基端部)に溜まることになる。この熱の
滞留によりシリンダ基端側に配置されているサージボリ
ュームが加熱され、その内部のガス圧が高くなり、ガス
の中間圧と高圧との差圧が小さくなってスラックピスト
ンおよびディスプレーサのスムーズな移動に支障をきた
し、クールダウン時間が長くなったり、クールダウン後
の定常運停時の冷凍能力が低下したりするという不都合
がある。図5は一体型の膨張機と別体型の膨張機とのP
V線図の一例を示しており、別体型の膨張機では、いわ
ゆるPV図示能力が圧力損失の分だけ低下して冷凍能力
が低下していることが分かる。もちろん、圧縮機の負荷
も増大する。However, in an integral type expander in which a valve motor is integrated with a cylinder portion, high and low pressure gas circulates between the compressor and the low temperature end (tip end) of the cylinder. ), The heat of compression taken by the gas is released while the gas returns to the compressor, so there is no problem, but in the separate expander as described above, the amount of refrigerant gas circulating between the compressor and Therefore, the heat of compression taken by the gas at the low temperature end (tip) of the cylinder is not sufficiently released, and accumulates in the room temperature portion (base end portion) of the cylinder. This heat retention heats the surge volume located at the base end of the cylinder, increasing the gas pressure inside it, reducing the differential pressure between the intermediate and high pressures of the gas, and smoothing the slack piston and displacer. There are disadvantages that the movement is hindered, the cooldown time becomes long, and the refrigerating capacity at the time of steady suspension after the cooldown decreases. Fig. 5 shows the P of the integrated expander and the separate expander.
An example of the V-line diagram is shown, and it can be seen that in the separate-type expander, the so-called PV illustrated capacity is reduced by the amount of pressure loss, and the refrigeration capacity is reduced. Of course, the load on the compressor also increases.
【0007】上述の問題点を解決するために、電動機式
のモータを用いない切換バルブを膨張機に設置すること
が提案されている(特開平4−68266号公報参
照)。特開平4−68266号公報に記載された極低温
冷凍機は、膨張機から十分に離した位置にバルブモータ
を設置し、切換バルブの弁体を往復動させるための2つ
の圧力室の一方にバルブモータによって発生される圧力
波を供給し、他方に圧縮機の吐出側および吸入側を接続
している。したがって、上記他方の圧力室には、圧縮機
の吐出側圧力である高圧と、吸入側圧力である低圧との
中間圧力が常に与えられ、この中間圧力とバルブモータ
によって発生される圧力波との差圧によって弁体を動作
させ、膨張機を選択的に圧縮機の吐出側または吸入側と
連通させることができる。In order to solve the above-mentioned problems, it has been proposed to install a switching valve without an electric motor in an expander (see Japanese Patent Laid-Open No. 4-68266). The cryogenic refrigerator described in Japanese Unexamined Patent Publication No. 4-68266 has a valve motor installed at a position sufficiently separated from the expander, and has one of two pressure chambers for reciprocating the valve element of the switching valve. The pressure wave generated by the valve motor is supplied, and the discharge side and suction side of the compressor are connected to the other. Therefore, an intermediate pressure between the high pressure, which is the discharge side pressure of the compressor, and the low pressure, which is the suction side pressure, is always applied to the other pressure chamber, and the intermediate pressure and the pressure wave generated by the valve motor are The differential pressure causes the valve element to operate, allowing the expander to selectively communicate with the discharge side or the suction side of the compressor.
【0008】しかし、バルブモータによって発生される
圧力波と中間圧力との差圧により弁体を動作させるので
あるから、弁体の動作圧力を十分に大きくすることがで
きず、この結果、弁体の動きが鈍くなってしまい、弁体
の動作開始から動作完了までの所要時間が長くなってし
まう。また、上記他方の圧力室と高圧側配管との間のシ
ールが不完全であれば中間圧力が高くなるので、上記一
方の圧力室に高圧の圧力波を供給した場合に弁体の動き
が著しく鈍くなってしまい、またシール抵抗が大きい場
合には弁体を動作させることができなくなってしまう。However, since the valve body is operated by the differential pressure between the pressure wave generated by the valve motor and the intermediate pressure, the operating pressure of the valve body cannot be increased sufficiently, and as a result, the valve body is operated. Of the valve body becomes slow and the time required from the start of the operation of the valve element to the completion of the operation becomes long. Further, if the seal between the other pressure chamber and the high-pressure side pipe is incomplete, the intermediate pressure will be high, so the movement of the valve body will be remarkable when a high-pressure pressure wave is supplied to the one pressure chamber. If the seal resistance becomes large and the seal resistance is large, the valve body cannot be operated.
【0009】[0009]
【発明の目的】この発明は上記の問題点に鑑みてなされ
たものであり、切換バルブの動作を迅速かつスムーズに
することができ、ひいては膨張空間のガス圧の切り換え
に遅れ、なまりが生じることを防止できる極低温冷凍機
を提供することを目的としている。SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above-mentioned problems, and can make the operation of the switching valve quick and smooth, and thus delay the switching of the gas pressure in the expansion space and cause blunting. It is an object of the present invention to provide a cryogenic refrigerator capable of preventing the above.
【0010】[0010]
【課題を解決するための手段】請求項1の極低温冷凍機
は、冷媒ガスを圧縮して高圧ガスを発生させる圧縮機
と、圧縮機から供給された高圧ガスを断熱膨張させて極
低温レベルの寒冷を発生させる膨張機とで構成された極
低温冷凍機であって、上記膨張機が、ガス給排口を介し
てシリンダ内へガスを給排してディスプレーサを往復動
させ、シリンダ内の膨張室でガスを膨張させるシリンダ
アッセンブリと、ガス給排口を選択的に圧縮機の吐出側
または吸入側に連通させる切換バルブと、切換バルブを
駆動する圧力波を発生するバルブモータとから構成さ
れ、上記切換バルブが、弁体を往復動させるための2つ
の圧力室を有しているとともに、ガス給排口と圧縮機の
吐出側とを連通すべく弁体を動作させるための圧力室が
バルブモータの圧力波発生部と連通され、ガス給排口と
圧縮機の吸入側とを連通すべく弁体を動作させるための
圧力室が膨張機の膨張空間と連通されている。A cryogenic refrigerator according to claim 1 is a compressor for compressing a refrigerant gas to generate a high pressure gas, and a high temperature gas supplied from the compressor for adiabatic expansion to achieve a cryogenic level. Is a cryogenic refrigerator configured with an expander for generating cold, the expander reciprocating the displacer by supplying and exhausting gas into and from the cylinder through the gas supply and exhaust port, It consists of a cylinder assembly that expands gas in the expansion chamber, a switching valve that selectively connects the gas supply / discharge port to the discharge side or suction side of the compressor, and a valve motor that generates a pressure wave that drives the switching valve. The switching valve has two pressure chambers for reciprocating the valve body, and a pressure chamber for operating the valve body to communicate the gas supply / discharge port with the discharge side of the compressor. Valve motor pressure wave Communicates with the raw part, a pressure chamber for operating the valve body to pass communication between the suction side of the compressor gas supply and discharge port is in communication expansion space and the communication of the expander.
【0011】請求項2の極低温冷凍機は、上記膨張機の
膨張空間と切換バルブとを接続するガス流路の所定位置
に、ガス流に対して抵抗として機能する小径部を設けた
ものである。A cryogenic refrigerator according to a second aspect is provided with a small diameter portion which functions as a resistance against a gas flow at a predetermined position of a gas flow path connecting an expansion space of the expander and a switching valve. is there.
【0012】[0012]
【作用】請求項1の極低温冷凍機であれば、膨張機の膨
張空間が低圧であり、ガス給排口と圧縮機の吐出側とを
連通すべく弁体を動作させるための圧力室(以下、一方
の圧力室と略称する)の圧力も低圧である状態におい
て、ガス給排口と圧縮機の吸入側とを連通すべく弁体を
動作させるための圧力室(以下、他方の圧力室と略称す
る)にバルブモータの圧力波(高圧の圧力波)を供給す
れば、両圧力室の圧力差により弁体が一方の圧力室側に
移動し、圧縮機から吐出された高圧ガスを膨張機の内部
に供給することができる。According to the cryogenic refrigerator of claim 1, the expansion space of the expander has a low pressure, and the pressure chamber for operating the valve body to connect the gas supply / discharge port and the discharge side of the compressor ( In the state in which the pressure of one pressure chamber is also low, the pressure chamber for operating the valve body to connect the gas supply / discharge port and the suction side of the compressor (hereinafter, the other pressure chamber). If a pressure wave (high pressure wave) of the valve motor is supplied to the valve motor, the valve body moves to one pressure chamber side due to the pressure difference between the pressure chambers, and the high pressure gas discharged from the compressor expands. Can be supplied inside the machine.
【0013】逆に、圧縮機から吐出された高圧ガスが膨
張機の内部に供給され、膨張機の膨張空間が高圧であ
り、一方の圧力室も高圧である状態において、他方の圧
力室にバルブモータの圧力波(低圧の圧力波)を供給す
れば、両圧力室の圧力差により弁体が他方の圧力室側に
移動し、膨張機内部のガスが圧縮機の吸入側に流れ込
む。On the contrary, when the high-pressure gas discharged from the compressor is supplied to the inside of the expander, the expansion space of the expander has a high pressure, and one pressure chamber has a high pressure, the other pressure chamber has a valve. When the pressure wave (low-pressure pressure wave) of the motor is supplied, the valve body moves to the other pressure chamber side due to the pressure difference between the two pressure chambers, and the gas inside the expander flows into the suction side of the compressor.
【0014】なお、何れの場合にも、一方の圧力室の圧
力が膨張機の膨張空間の圧力変化に追従して変化し、最
終的に両圧力室の圧力が等しくなる。したがって、バル
ブモータの圧力波を高圧と低圧とに周期的に変化させる
ことにより、膨張機の膨張空間を周期的に、かつ交互に
圧縮機の吐出側、吸入側と連通することができ、膨張機
の膨張空間のガス圧を高低圧に変化し、これに伴なって
ディスプレーサが往復動し、通常の冷凍機と同様に冷凍
サイクルを行うことができる。In any case, the pressure in one pressure chamber changes following the pressure change in the expansion space of the expander, and the pressures in both pressure chambers eventually become equal. Therefore, by cyclically changing the pressure wave of the valve motor to a high pressure and a low pressure, the expansion space of the expander can be communicated with the discharge side and the suction side of the compressor periodically and alternately. The gas pressure in the expansion space of the machine is changed to a high pressure or a low pressure, and the displacer reciprocates accordingly, and the refrigeration cycle can be performed in the same manner as a normal refrigerator.
【0015】そして、この極低温冷凍機においては、切
換バルブを動作させるための圧力として、中間圧力を採
用することなく、高圧と低圧のみを採用しているのであ
るから、切換バルブの弁体を動作させるための圧力差を
十分に大きくすることができ、この結果、弁体を迅速
に、かつスムーズに動作させることができ、ひいては膨
張空間のガス圧の切り換えに遅れ、なまりが生じるとい
う不都合の発生を防止できる。Further, in this cryogenic refrigerator, as the pressure for operating the switching valve, only the high pressure and the low pressure are adopted without adopting the intermediate pressure, so that the valve body of the switching valve is The pressure difference for operating the valve element can be made sufficiently large, and as a result, the valve element can be operated quickly and smoothly, which in turn delays the switching of the gas pressure in the expansion space and causes blunting. Occurrence can be prevented.
【0016】請求項2の極低温冷凍機であれば、上記膨
張機の膨張空間と切換バルブとを接続するガス流路の所
定位置に、ガス流に対して抵抗として機能する小径部を
設けたものを採用しているのであるから、膨張機の膨張
空間に接続された圧力室の圧力変化が急激になることを
防止でき、圧力変化に起因する発熱を大幅に抑制するこ
とができ、切換バルブを冷却するための特別の装置を不
要にすることができる。According to the cryogenic refrigerator of claim 2, a small diameter portion functioning as a resistance to the gas flow is provided at a predetermined position of the gas flow path connecting the expansion space of the expander and the switching valve. Since it is adopted, it is possible to prevent a sudden pressure change in the pressure chamber connected to the expansion space of the expander, and it is possible to greatly suppress heat generation due to the pressure change, and to switch the switching valve. It is possible to eliminate the need for special equipment for cooling the.
【0017】[0017]
【実施例】以下、実施例を示す添付図面によって詳細に
説明する。図1はこの発明の一実施例としてのガス圧駆
動式のGM型極低温冷凍機の全体構成を示す縦断面図で
あり、図2は切換バルブの構成を示す拡大縦断面図であ
る。この冷凍機は、ヘリウムガス(冷媒ガス)のジュー
ルトムソン膨張を利用したJT冷凍機の予冷用冷凍機と
して用いられ、このJT冷凍機によりSQUID(図示
せず)を極低温レベルに冷却するようになっている。図
1において、1は冷媒ガスとしてのヘリウムガスを圧縮
して高圧ガスを発生させる圧縮機、2は該圧縮機1から
供給された高圧ガスを断熱膨張させて極低温レベルの寒
冷を発生させる膨張機である。そして、膨張機2はシリ
ンダアッセンブリ3と、切換バルブ63と、バルブモー
タアッセンブリ40とから構成されている。Embodiments will be described in detail below with reference to the accompanying drawings showing embodiments. FIG. 1 is a vertical cross-sectional view showing the entire structure of a gas pressure drive type GM type cryogenic refrigerator as one embodiment of the present invention, and FIG. 2 is an enlarged vertical cross-sectional view showing the structure of a switching valve. This refrigerator is used as a pre-cooling refrigerator for a JT refrigerator utilizing Joule-Thomson expansion of helium gas (refrigerant gas), and this JT refrigerator cools an SQUID (not shown) to a cryogenic level. Has become. In FIG. 1, 1 is a compressor that compresses helium gas as a refrigerant gas to generate high-pressure gas, and 2 is an expansion that adiabatically expands the high-pressure gas supplied from the compressor 1 to generate cryogenic cold. It is a machine. The expander 2 is composed of the cylinder assembly 3, the switching valve 63, and the valve motor assembly 40.
【0018】上記シリンダアッセンブリ3は、上方に解
放された有底円筒状のシリンダ10と、シリンダ10の
上端側(基端側)の開口を気密状に閉塞するバルブステ
ム4とを有する。このバルブステム4はシリンダ10内
にその内壁と所定の間隔をあけて同心状に突出する円柱
状の突出部4aを有する。また、バルブステム4には、
その上面のシリンダ中心線上に開口するガス給排口5
と、比較的小さい容量のサージボリューム7と、ガス給
排口5をシリンダ10内に連通するガス流路8とが形成
されている。さらに、ガス流路8は通路断面積の小さい
連通路9を介してサージボリューム7に常時連通してお
り、連通路9によりサージボリューム7での中間圧を適
正値に設定するようにしている。The cylinder assembly 3 has a cylinder 10 having a bottomed cylindrical shape that is opened upward, and a valve stem 4 that hermetically closes an opening on the upper end side (base end side) of the cylinder 10. The valve stem 4 has, in the cylinder 10, a columnar protrusion 4a that protrudes concentrically from the inner wall of the cylinder 10 with a predetermined gap. Also, the valve stem 4 has
Gas supply / discharge port 5 opening on the cylinder center line on the upper surface
And a surge volume 7 having a relatively small capacity, and a gas flow path 8 that connects the gas supply / discharge port 5 to the inside of the cylinder 10. Further, the gas flow passage 8 is always in communication with the surge volume 7 via a communication passage 9 having a small passage cross-sectional area, and the communication passage 9 sets the intermediate pressure in the surge volume 7 to an appropriate value.
【0019】上記シリンダ10は、上端側(基端側)の
大径部10aと該大径部10aの下端(先端)に連続す
る小径部10bとで2段構造に形成され、上記大径部1
0aの下端部には例えば55〜60Kの温度レベルに保
持される第1段ヒートステーション11が、また小径部
10bの下端には上記第1段ヒートステーション11よ
りも低い例えば15〜20Kの温度レベルに保持される
第2段ヒートステーション12がそれぞれ設けられてお
り、この両段ヒートステーション11,12から伝熱さ
れて図外のJT冷凍機のヘリウムガスが予冷されるよう
になっている。The cylinder 10 is formed in a two-stage structure with a large diameter portion 10a on the upper end side (base end side) and a small diameter portion 10b continuous to the lower end (tip) of the large diameter portion 10a. 1
At the lower end of 0a is a first-stage heat station 11 which is maintained at a temperature level of 55 to 60K, and at the lower end of the small diameter portion 10b is at a lower temperature level of, for example, 15 to 20K than the first-stage heat station 11. The second stage heat station 12 is provided for holding the helium gas in the JT refrigerator (not shown) to be pre-cooled.
【0020】シリンダ10の大径部10a上端の内部に
は該大径部10a内部に中間圧室13を区画形成するス
ラックピストン15が配設され、中間圧室13はバルブ
ステム4内のサージボリューム7にオリフィス14を介
して常時連通している。スラックピストン15は底壁を
有する略カップ形状のもので、その内周上端がバルブス
テム4の突出部4a外周に、また外周下端がシリンダ1
0の大径部10a内周にそれぞれ気密状に摺接してい
る。また、スラックピストン15の底壁中心部には中心
孔15aが、また底壁の隅角部にはピストン15内外を
連通する複数の連通孔15b,15b,…がそれぞれ貫
通形成されている。Inside the upper end of the large diameter portion 10a of the cylinder 10, a slack piston 15 for partitioning and forming the intermediate pressure chamber 13 is arranged inside the large diameter portion 10a, and the intermediate pressure chamber 13 is a surge volume inside the valve stem 4. 7 through the orifice 14 at all times. The slack piston 15 is of a substantially cup shape having a bottom wall, and the upper end of the inner circumference is the outer circumference of the protruding portion 4a of the valve stem 4, and the lower end of the outer circumference is the cylinder 1.
The inner diameter of the large diameter portion 10a of 0 is slidably contacted with each other. Further, a center hole 15a is formed at the center of the bottom wall of the slack piston 15, and a plurality of communication holes 15b, 15b, ... Which communicate the inside and outside of the piston 15 are formed at the corners of the bottom wall.
【0021】また、シリンダ10内にはディスプレーサ
16が往復動可能に嵌挿されている。このディスプレー
サ16は、シリンダ10の大径部10aにて気密摺動可
能に配置された大径部16aと、該大径部16aの下端
(先端)に連続し、シリンダ10の小径部10bに気密
摺動可能に配置された小径部16bとからなる2段構造
のもので、大径部16a及び小径部16bの内部にはそ
れぞれ密閉空間が形成されており、このディスプレーサ
16により、シリンダ10内の空間が、ディスプレーサ
16の上端及びスラックピストン15で囲まれるガス給
排室17と、ディスプレーサ16の大径部16aおよび
シリンダ10の大径部10aで囲まれ、上記第1段ヒー
トステーション11に対応する第1段膨張室18と、デ
ィスプレーサ16の小径部16bおよびシリンダ10の
小径部10bで囲まれ、上記第2段ヒートステーション
12に対応する第2段膨張室19とに区画されてい
る。.また、ディスプレーサ16の大径部16a下端に
は大径部16a内の密閉空間を上記第1段膨張室18に
常時連通する連通孔20,20が形成されている。ま
た、小径部16b上端には小径部16b内の空間を第1
段膨張室18に常時連通する連通孔21,21が、同下
端には密閉空間を上記第2段膨張室19に常時連通する
連通孔22,22がそれぞれ形成されている。A displacer 16 is reciprocally fitted in the cylinder 10. The displacer 16 is continuous with a large-diameter portion 16a which is arranged so as to be airtightly slidable in the large-diameter portion 10a of the cylinder 10 and a lower end (tip) of the large-diameter portion 16a, and is airtight with the small-diameter portion 10b of the cylinder 10. It has a two-stage structure composed of a slidably arranged small-diameter portion 16b, and a sealed space is formed inside each of the large-diameter portion 16a and the small-diameter portion 16b. The space is surrounded by the gas supply / discharge chamber 17 surrounded by the upper end of the displacer 16 and the slack piston 15, the large diameter portion 16a of the displacer 16 and the large diameter portion 10a of the cylinder 10, and corresponds to the first-stage heat station 11. The second-stage heat station is surrounded by the first-stage expansion chamber 18, the small-diameter portion 16b of the displacer 16 and the small-diameter portion 10b of the cylinder 10. Is partitioned into a second stage expansion chamber 19 that corresponds to 2. . Further, at the lower end of the large-diameter portion 16a of the displacer 16, there are formed communication holes 20, 20 for constantly communicating the closed space inside the large-diameter portion 16a with the first-stage expansion chamber 18. In addition, a space within the small diameter portion 16b is provided at the upper end of the small diameter portion 16b.
Communication holes 21 and 21 which always communicate with the stage expansion chamber 18 are formed, and communication holes 22 and 22 which constantly communicate the closed space with the second stage expansion chamber 19 are formed at the lower ends thereof.
【0022】さらに、上記ディスプレーサ16の大径部
16a上端には大径部16a内の空間を上記ガス給排室
17に連通する管状の係止片23が一体に突設され、係
止片23は上記スラックピストン15底壁の中心孔15
aを貫通してピストン15内に所定寸法だけ延び、その
上端部にはピストン15底壁に係合するフランジ状の係
止部23aが一体に形成されており、スラックピストン
15の上昇移動時、ピストン15が所定ストロークだけ
上昇した時点でその底壁と係止片23の係止部23aと
の係合により、ディスプレーサ16をピストン15によ
って駆動して上昇開始させるように、つまりディスプレ
ーサ16を所定ストロークの遅れをもってピストン15
に追従移動させるようになされている。Further, at the upper end of the large diameter portion 16a of the displacer 16, a tubular locking piece 23 for communicating the space inside the large diameter portion 16a with the gas supply / discharge chamber 17 is integrally provided, and the locking piece 23 is provided. Is the central hole 15 in the bottom wall of the slack piston 15
A flange-shaped engaging portion 23a that engages with the bottom wall of the piston 15 is integrally formed at the upper end of the slack piston 15 when the slack piston 15 moves upward. When the piston 15 is lifted by a predetermined stroke, the displacer 16 is driven by the piston 15 to start rising by engagement of the bottom wall of the piston 15 with the locking portion 23a of the locking piece 23, that is, the displacer 16 is moved by a predetermined stroke. With a delay of 15
It is designed to move following.
【0023】そして、上記ディスプレーサ16の大径部
16a内の密閉空間には第1段リジェネレータ24(蓄
冷器)が、また、小径部16b内の密閉空間には第2段
リジェネレータ25がそれぞれ嵌挿されている。これら
リジェネレータ24,25はいずれも蓄冷型の熱交換器
からなる。具体的には、上記第1段リジェネレータ24
は、密閉空間内に蓄冷材として円板状の多数の銅メッシ
ュを積層したものであり、一方、第2段リジェネレータ
25では空間内に蓄冷材として所定の直径を有する多数
の鉛球(鉛のショット)が充填封入され、これらメッシ
ュの網目及び鉛球間の間隙がガス通路とされており、こ
のガス通路を流れるヘリウムガスの冷熱をメッシュ及び
各鉛球に蓄えるようにしている。すなわち、ディスプレ
ーサ16がシリンダ10内を上昇する吸気行程にあると
きには、前の排気行程で極低温レベルに温度降下したメ
ッシュ及び鉛球をガス給排室17から第1及び第2膨張
室18,19に向かう常温のヘリウムガスと接触させ
て、両者の熱交換によりそのガスを極低温レベル近くま
で冷却する。一方、ディスプレーサ16が下降する排気
行程にあるときには、各膨張室18,19での膨張によ
り極低温レベルに温度降下したヘリウムガスをシリンダ
10外に排出する途中でメッシュ及び鉛球と接触させ
て、両者の熱交換によりメッシュ及び鉛球を極低温レベ
ル近くまで再度冷却するように構成されている。A first-stage regenerator 24 (regenerator) is placed in the closed space inside the large-diameter portion 16a of the displacer 16, and a second-stage regenerator 25 is placed in the closed space inside the small-diameter portion 16b. It has been inserted. Each of these regenerators 24 and 25 is composed of a cold storage type heat exchanger. Specifically, the first stage regenerator 24
Is a stack of a large number of disk-shaped copper meshes as a cold storage material in a closed space, while the second stage regenerator 25 has a large number of lead balls (lead Shot) is filled and enclosed, and the mesh of these meshes and the gap between the lead balls serve as a gas passage. The cold heat of the helium gas flowing through this gas passage is stored in the mesh and each lead ball. That is, when the displacer 16 is in the intake stroke in which it rises in the cylinder 10, the mesh and lead balls that have dropped to the cryogenic temperature level in the previous exhaust stroke are transferred from the gas supply / discharge chamber 17 to the first and second expansion chambers 18, 19. It is brought into contact with the helium gas at room temperature, and the heat exchange between the two cools the gas to near the cryogenic level. On the other hand, when the displacer 16 is in the descending exhaust stroke, the helium gas whose temperature has dropped to an extremely low temperature level due to expansion in the expansion chambers 18 and 19 is brought into contact with the mesh and the lead ball while being discharged to the outside of the cylinder 10, It is configured to re-cool the mesh and the lead ball to near the cryogenic level by the heat exchange of.
【0024】上記切換バルブ63は、図2にも示すよう
に、筒状のケーシング63aの内部に弁体63bを往復
摺動自在に収容してあるとともに、弁体63bの両側に
第1、第2圧力室63c,63dを形成してある。ま
た、ケーシング63aの所定位置を貫通する状態で、圧
縮機1の吐出側、吸入側とそれぞれ連通される第1、第
2管路63e,63fが設けられてあるとともに、シリ
ンダアッセンブリ3のガス給排口5と連通される第3管
路63gが設けられてある。そして、弁体63bは、第
3管路63gを第1管路63eまたは第2管路63fと
連通するための凹所63hを中央部外周に有していると
ともに、凹所63hと両圧力室63c,63dとの間の
気密を保持するためのシール部材63iを有している。
さらに、第3管路63gを圧縮機1の吸入側と連通され
る第2管路63fと連通すべく弁体63bを動作させる
ための第2圧力室63d(図1中、右側の圧力室)を第
5管路63kを介して第3管路63gの途中部と連通し
ている。そして、第3管路63gを圧縮機1の吐出側と
連通される第1管路63eと連通すべく弁体63bを動
作させるための第1圧力室63c(図1中、左側の圧力
室)を第4管路63jを介してバルブモータ54の圧力
波出力ポート(ガス給排口)45と連通している。さら
に、第5管路63kの所定位置に、ガス流に対して抵抗
として機能する小径部(例えば、ニードルバルブなど)
63mを設けている。As shown in FIG. 2, the switching valve 63 has a cylindrical casing 63a in which a valve element 63b is slidably housed in a reciprocating manner, and first and second valve elements 63b are provided on both sides of the valve element 63b. Two pressure chambers 63c and 63d are formed. Further, in a state of penetrating a predetermined position of the casing 63a, first and second pipe lines 63e and 63f which are respectively communicated with the discharge side and the suction side of the compressor 1 are provided, and the gas supply of the cylinder assembly 3 is performed. A third conduit 63g communicating with the outlet 5 is provided. The valve body 63b has a recess 63h for communicating the third conduit 63g with the first conduit 63e or the second conduit 63f on the outer periphery of the central portion, and the recess 63h and both pressure chambers. It has a seal member 63i for maintaining airtightness between 63c and 63d.
Further, a second pressure chamber 63d (a pressure chamber on the right side in FIG. 1) for operating the valve body 63b so that the third pipe passage 63g communicates with the second pipe passage 63f that communicates with the suction side of the compressor 1. Through the fifth pipe 63k and the middle of the third pipe 63g. Then, the first pressure chamber 63c (the left pressure chamber in FIG. 1) for operating the valve body 63b so that the third pipe 63g communicates with the first pipe 63e that communicates with the discharge side of the compressor 1. Is communicated with the pressure wave output port (gas supply / discharge port) 45 of the valve motor 54 via the fourth pipe 63j. Further, at a predetermined position of the fifth pipe 63k, a small diameter portion (for example, a needle valve) that functions as a resistance against the gas flow.
63m is provided.
【0025】上記バルブモータ54を含むバルブモータ
アッセンブリ40は、上端が閉塞された有底円筒状のバ
ルブハウジング41と、ハウジング41の下端開口を気
密状に閉塞するバルブステム42とで構成された密閉円
筒状のもので、バルブハウジング41の側壁には圧縮機
1の吐出側に接続される高圧ガス入口43と、同吸込側
に接続される低圧ガス出口44とが開口されている。ま
た、バルブステム42の下端には上記シリンダアッセン
ブリ3のガス給排口5と同径のガス給排口45が開口さ
れている。バルブハウジング41の内部には、高圧ガス
入口43に連通するバルブ室46が形成され、バルブ室
46にはバルブステム42の上面が臨んでいる。The valve motor assembly 40 including the valve motor 54 is a hermetically sealed structure including a cylindrical valve housing 41 having a closed upper end and a valve stem 42 that hermetically closes the lower opening of the housing 41. It is cylindrical and has a high pressure gas inlet 43 connected to the discharge side of the compressor 1 and a low pressure gas outlet 44 connected to the suction side of the side wall of the valve housing 41. A gas supply / discharge port 45 having the same diameter as the gas supply / discharge port 5 of the cylinder assembly 3 is opened at the lower end of the valve stem 42. Inside the valve housing 41, a valve chamber 46 communicating with the high pressure gas inlet 43 is formed, and the valve chamber 46 faces the upper surface of the valve stem 42.
【0026】バルブステム42には、上半分が2つに分
岐されかつバルブ室46をガス給排口45に連通する第
1ガス流路48と、一端が該第1ガス流路48に後述の
バルブディスク51の低圧ポート53を介して連通する
とともに、他端が上記低圧ガス出口44にバルブハウジ
ング41に形成した連通路50を介して連通する第2ガ
ス流路49とが貫通形成されている。両ガス流路48,
49は、図3に示すように、バルブステム42上面にお
いてバルブ室46に対し、第2ガス流路49にあっては
バルブステム42中心部に、第1ガス流路48の2つの
分岐部分にあっては第2ガス流路49の開口部に対して
対称な位置にそれぞれ開口されている。The valve stem 42 has a first gas passage 48 whose upper half is branched into two and communicates the valve chamber 46 with the gas supply / discharge port 45, and one end of which is described later in the first gas passage 48. A second gas flow path 49, which communicates with the low pressure port 53 of the valve disc 51 and has the other end communicating with the low pressure gas outlet 44 through a communication passage 50 formed in the valve housing 41, is formed. . Both gas channels 48,
As shown in FIG. 3, the reference numeral 49 designates a valve chamber 46 on the upper surface of the valve stem 42, a central portion of the valve stem 42 in the second gas passage 49, and two branch portions of the first gas passage 48. In that case, the second gas flow paths 49 are opened at symmetrical positions with respect to the openings.
【0027】また、バルブ室46内にはバルブモータ5
4によって所定周期で回転駆動される切換バルブとして
のバルブディスク51が配設され該バルブディスク51
の切換動作により、高圧ガス入口43に連通するバルブ
室46と低圧ガス出口44に連通する連通路50とをガ
ス給排口45に対し交互に連通するようになされてい
る。Further, in the valve chamber 46, the valve motor 5
4 is provided with a valve disc 51 as a switching valve which is rotationally driven at a predetermined cycle.
By this switching operation, the valve chamber 46 communicating with the high pressure gas inlet 43 and the communication passage 50 communicating with the low pressure gas outlet 44 are alternately communicated with the gas supply / discharge port 45.
【0028】詳しくは、上記バルブディスク51はバル
ブモータ54の出力軸54aに摺動可能に連結されてい
る。また、バルブディスク51上面とモータ54との間
にはスプリング55が縮装されており、このスプリング
55のばね力及びバルブ室46に導入された高圧ヘリウ
ムガスの圧力によりバルブディスク51下面をバルブス
テム42上面に対し一定の押圧力で押し付けている。ま
た、図4に示すように、バルブディスク51の下面に
は、その半径方向に対向する外周縁から中心方向に所定
長さだけ切り込んでなる1対の高圧ポート52,52
と、高圧ポート52,52に対しバルブディスク51の
回転方向にほぼ90°の角度間隔をあけて配置され、バ
ルブディスク51下面の中心から外周縁近傍に向かって
直径方向に切り欠いてなる低圧ポート53とが形成され
ている。そして、バルブモータ54の駆動によりバルブ
ディスク51がその下面をバルブステム42上面に圧接
させながら回転して切換動作する際、このバルブディス
ク51の切換動作に応じて高圧ガス入口43又は低圧ガ
ス出口44を交互にガス給排口45に所定のタイミング
で連通させるようにしている。More specifically, the valve disc 51 is slidably connected to the output shaft 54a of the valve motor 54. A spring 55 is compressed between the upper surface of the valve disk 51 and the motor 54. The spring force of the spring 55 and the pressure of the high pressure helium gas introduced into the valve chamber 46 cause the lower surface of the valve disk 51 to move toward the valve stem. 42 is pressed against the upper surface with a constant pressing force. Further, as shown in FIG. 4, a pair of high pressure ports 52, 52 are formed on the lower surface of the valve disc 51 by cutting a predetermined length in the center direction from the outer peripheral edges facing each other in the radial direction.
And a low pressure port which is arranged at an angular interval of approximately 90 ° with respect to the high pressure ports 52, 52 in the rotational direction of the valve disc 51 and which is cut out in the diameter direction from the center of the lower surface of the valve disc 51 toward the outer peripheral edge. And 53 are formed. When the valve disk 51 is rotated by the drive of the valve motor 54 while pressing its lower surface against the upper surface of the valve stem 42 to perform a switching operation, the high pressure gas inlet 43 or the low pressure gas outlet 44 is operated in accordance with the switching operation of the valve disk 51. Are alternately communicated with the gas supply / discharge port 45 at a predetermined timing.
【0029】そして、バルブモータアッセンブリ40で
のバルブディスク51の切換えにより、シリンダアッセ
ンブリ3のガス給排口5に高圧ガス入口43からの高圧
ガスまたは低圧ガス出口44からの低圧ガスを交互に作
用させてスラックピストン15およびディスプレーサ1
6をシリンダ10内で往復動させ、図3(A)に示すよ
うに、バルブディスク51下面の高圧ポート52,52
の内端がそれぞれバルブステム42上面の第1ガス流路
48に合致したときには、バルブ室46を高圧ポート5
2,52、第1ガス流路48および冷媒配管60(また
は61)を介してシリンダ10内のガス給排室17、第
1および第2段膨張室18,19に連通させて、これら
各室17〜19に高圧ヘリウムガスを導入充填すること
により、スラックピストン15およびこのピストン15
によって駆動されるディスプレーサ16を上昇させる。Then, by switching the valve disk 51 in the valve motor assembly 40, the high pressure gas from the high pressure gas inlet 43 or the low pressure gas from the low pressure gas outlet 44 is alternately acted on the gas supply / discharge port 5 of the cylinder assembly 3. Slack piston 15 and displacer 1
6 is reciprocated in the cylinder 10, and as shown in FIG. 3A, the high pressure ports 52, 52 on the lower surface of the valve disc 51 are
Of the high pressure port 5 when the inner ends of the valve chamber 46 and the first gas flow passage 48 on the upper surface of the valve stem 42 respectively match.
2, 52, the first gas flow path 48 and the refrigerant pipe 60 (or 61) to communicate with the gas supply / discharge chamber 17, the first and second stage expansion chambers 18 and 19 in the cylinder 10, and these chambers. By introducing and filling high-pressure helium gas into 17 to 19, the slack piston 15 and this piston 15
Raise the displacer 16 driven by.
【0030】他方、図3(B)に示すように、バルブス
テム42上面に開口する第2ガス流路49に中央部にて
常時連通する低圧ポート53の外端が第1ガス流路48
に合致した場合には、シリンダ10内の各室17〜19
を冷媒配管60(または61)、第1ガス流路48,4
8、低圧ポート53、第2ガス流路49および連通路5
0を介して低圧ガス出口44に連通させて、各室17〜
19に充填されているヘリウムガスを低圧ガス出口44
に排出することにより、スラックピストン15およびデ
ィスプレーサ16を下降させ、このディスプレーサ16
の下降移動に伴なう膨張室18,19内のヘリウムガス
の膨張によって各ヒートステーション11,12に寒冷
を発生するように構成されている。On the other hand, as shown in FIG. 3 (B), the outer end of the low-pressure port 53, which is in constant communication with the second gas passage 49 opening on the upper surface of the valve stem 42 at the central portion, is the first gas passage 48.
If the chambers 17 to 19 in the cylinder 10
The refrigerant pipe 60 (or 61) and the first gas flow paths 48, 4
8, low pressure port 53, second gas passage 49 and communication passage 5
0 to communicate with the low pressure gas outlet 44, and each chamber 17 to
The helium gas filled in 19 is supplied to the low pressure gas outlet 44
The slack piston 15 and the displacer 16 are lowered by discharging them to the displacer 16
The helium gas in the expansion chambers 18 and 19 is expanded by the downward movement of the heat stations 11 and 12 to generate cold in the heat stations 11 and 12.
【0031】上記構成の極低温冷凍機の作用は次のとお
りである。クールダウン時には、GM冷凍機及びJT冷
凍機の運転に伴ってSQUIDが徐々に低温度レベルに
冷却され、そのSQUIDの温度が極低温レベル(約4
K)まで降下した後に冷凍機は定常運転状態に移り、そ
の状態でSQUIDが作動する。The operation of the cryogenic refrigerator having the above structure is as follows. At the time of cool down, the SQUID is gradually cooled to a low temperature level as the GM refrigerator and the JT refrigerator are operated, and the temperature of the SQUID is kept at an extremely low temperature level (about 4 ° C).
After descending to K), the refrigerator shifts to a steady operation state, and the SQUID operates in that state.
【0032】上記GM冷凍機の運転を詳しく説明する。
膨張機2のシリンダアッセンブリ3におけるシリンダ1
0内の圧力が低圧であって、スラックピストン15とデ
ィスプレーサ16とが下降端位置にある状態で、バルブ
モータアッセンブリ40のバルブモータ54の駆動によ
りバルブディスク51が回転し、図3(A)に示すよう
に、高圧ポート52,52がバルブステム42上面の第
1ガス流路48,48に合致してバルブディスク51が
高圧側に開く。これに伴なって、圧縮機1から高圧ガス
入口43を介してバルブモータアッセンブリ40のバル
ブ室46に供給されている常温の高圧ヘリウムガスがバ
ルブディスク51の高圧ポート52,52および第1ガ
ス流路48を介してガス給排口45に供給され、このガ
ス給排口45から管路54jを介して切換バルブ51の
第1圧力室54cに導入される。また、このとき、シリ
ンダ10内の圧力が低圧であるから、切換バルブ63の
第2圧力室63dの圧力は低圧である。したがって、両
圧力室63c,63dの圧力差により弁体63bが迅
速、かつスムーズに動作し、ガス給排口5と連通される
第3管路63gを圧縮機1の吐出側と連通される第1管
路63eと連通させる。この状態で、第1管路63eか
ら切換バルブ63、第3管路63g、シリンダアッセン
ブリ3のガス給排口5およびガス流路8を介してスラッ
クピストン15下方のガス給排室17に導入される。さ
らに、このガスはガス給排室17からディスプレーサ1
6の各リジェネレータ24,25を通って順に各膨張室
18,19に充填され、これらリジェネレータ24,2
5を通る間に前の排気行程で冷却されている銅メッシュ
および鉛球との熱交換によって冷却される。The operation of the GM refrigerator will be described in detail.
Cylinder 1 in cylinder assembly 3 of expander 2
When the pressure in 0 is low and the slack piston 15 and the displacer 16 are at the lower end position, the valve disk 54 is rotated by the drive of the valve motor 54 of the valve motor assembly 40, as shown in FIG. As shown, the high pressure ports 52, 52 coincide with the first gas passages 48, 48 on the upper surface of the valve stem 42 to open the valve disc 51 to the high pressure side. Accordingly, the high-pressure helium gas at room temperature supplied from the compressor 1 to the valve chamber 46 of the valve motor assembly 40 via the high-pressure gas inlet 43 is supplied to the high-pressure ports 52 and 52 of the valve disk 51 and the first gas flow. The gas is supplied to the gas supply / discharge port 45 via the passage 48, and is introduced from the gas supply / discharge port 45 to the first pressure chamber 54c of the switching valve 51 via the pipe line 54j. At this time, since the pressure inside the cylinder 10 is low, the pressure in the second pressure chamber 63d of the switching valve 63 is low. Therefore, the valve body 63b operates quickly and smoothly due to the pressure difference between the pressure chambers 63c and 63d, and the third pipe line 63g communicating with the gas supply / discharge port 5 is communicated with the discharge side of the compressor 1. It communicates with 1 conduit 63e. In this state, the gas is introduced into the gas supply / discharge chamber 17 below the slack piston 15 from the first pipe 63e through the switching valve 63, the third pipe 63g, the gas supply / discharge port 5 of the cylinder assembly 3 and the gas flow passage 8. It Further, this gas is supplied from the gas supply / discharge chamber 17 to the displacer 1
6 through the regenerators 24 and 25, respectively, and filled in the expansion chambers 18 and 19 in order.
While passing through 5, it is cooled by heat exchange with the copper mesh and lead spheres that were cooled in the previous exhaust stroke.
【0033】また、スラックピストン15上側の中間圧
室13はオリフィス14を介してサージボリューム7に
連通しているので、その圧力は一定の適正値に保たれて
いる。このため、ガス給排室17へ高圧ヘリウムガスが
導入されると、その内部の圧力が上記中間圧室13より
も高くなり、両室13,17間の圧力差によってピスト
ン15が上昇する。そして、このピストン15が所定ス
トロークだけ上昇すると、ピストン15の底壁とディス
プレーサ16上端の係止片23とが係合して、ディスプ
レーサ16は圧力変化に対し遅れを持ってピストン15
により引き上げられ、このディスプレーサ16の上昇移
動によりその下方の膨張室18,19にさらに高圧ガス
が充填される(吸気行程)。Further, since the intermediate pressure chamber 13 on the upper side of the slack piston 15 communicates with the surge volume 7 through the orifice 14, its pressure is kept at a constant proper value. Therefore, when high-pressure helium gas is introduced into the gas supply / discharge chamber 17, the internal pressure thereof becomes higher than that of the intermediate pressure chamber 13, and the piston 15 rises due to the pressure difference between the chambers 13 and 17. Then, when the piston 15 moves upward by a predetermined stroke, the bottom wall of the piston 15 and the locking piece 23 at the upper end of the displacer 16 are engaged with each other, and the displacer 16 is delayed with respect to the pressure change.
By the upward movement of the displacer 16, the expansion chambers 18 and 19 below the displacer 16 are further filled with high-pressure gas (intake stroke).
【0034】ディスプレーサ16は、バルブディスク5
1が90°回転して閉じる前に、上昇運動をほぼ完了し
て、上端に到達している。そして、ディスプレーサ16
が上昇端位置に達した後、バルブディスク51が90°
回転し、図3(B)に示すように、低圧ポート53が第
1ガス流路48に合致してバルブディスク51が低圧側
に開き、この開弁に伴なって切換バルブ63の第1圧力
室63cの圧力が低圧になる。ただし、この時点におい
ては、シリンダ10内の圧力が高圧であるから第2圧力
室63dの圧力も高圧であり、両圧力室63c,63d
の差圧によって弁体63bが反対側に迅速、かつスムー
ズに動作し、第3管路63gと第2管路63fとを連通
させる。この連通に伴なってディスプレーサ16下方の
各膨張室18,19内のヘリウムガスがサイモン膨張
し、このヘリウムガスの膨張によって寒冷が発生する
(膨張行程)。The displacer 16 includes the valve disc 5
Before 1 rotates 90 ° and closes, the ascending motion is almost completed and the upper end is reached. And the displacer 16
The valve disc 51 reaches 90 °
As shown in FIG. 3 (B), the low-pressure port 53 matches the first gas flow path 48 and the valve disc 51 opens toward the low-pressure side. As a result of this opening, the first pressure of the switching valve 63 is increased. The pressure in the chamber 63c becomes low. However, at this point in time, the pressure in the cylinder 10 is high, so the pressure in the second pressure chamber 63d is also high, and both the pressure chambers 63c, 63d.
The differential pressure causes the valve element 63b to quickly and smoothly move to the opposite side, thereby connecting the third conduit 63g and the second conduit 63f. Along with this communication, the helium gas in the expansion chambers 18 and 19 below the displacer 16 expands by Simon, and the expansion of the helium gas produces cold (expansion stroke).
【0035】この極低温状態となったヘリウムガスは、
上記ガス導入時とは逆に、ディスプレーサ16内のリジ
ェネレータ24,25を通ってガス給排室17内に戻
り、その間にリジェネレータ24,25内の銅メッシュ
及び鉛球を冷却しながら自身が常温まで暖められる。そ
して、この常温のヘリウムガスは、ガス給排室17内の
ガスと共に、上記とは逆に、ガス流路8、ガス給排口
5、第3管路63g、切換バルブ63、第2管路63f
を介して圧縮機1に吸入される。このガス圧が低下して
中間圧室13よりも低くなり、この両室13,17での
圧力差によりスラックピストン15が下降し、このピス
トン15の底壁がディスプレーサ16の上面に当接した
後はディスプレーサ16が押圧されて下降し、このディ
スプレーサ16の下降移動により膨張室18,19内の
ガスが膨張機2外にさらに排出される(排気行程)。The helium gas in this cryogenic state is
Contrary to the above-described gas introduction, the gas flows through the regenerators 24 and 25 in the displacer 16 and returns into the gas supply / discharge chamber 17, while cooling the copper mesh and the lead balls in the regenerators 24 and 25 at room temperature. Can be warmed up to. The helium gas at room temperature is, together with the gas in the gas supply / discharge chamber 17, the gas flow path 8, the gas supply / discharge port 5, the third pipe line 63g, the switching valve 63, the second pipe line, contrary to the above. 63f
Is sucked into the compressor 1 via. After the gas pressure decreases and becomes lower than the intermediate pressure chamber 13, the slack piston 15 descends due to the pressure difference between the chambers 13 and 17, and the bottom wall of the piston 15 contacts the upper surface of the displacer 16. The displacer 16 is pressed and descends, and the downward movement of the displacer 16 further discharges the gas in the expansion chambers 18 and 19 to the outside of the expander 2 (exhaust stroke).
【0036】次いで、バルブディスク51が90°回転
して閉じる頃には、ディスプレーサ16は、下端位置ま
で下降する。以上により膨張機2の動作の1サイクルが
終了し、以後は上記と同様な動作が繰り返される。この
繰り返しによりシリンダ10の両段ヒートステーション
11,12が徐々に冷却され、両段ヒートステーション
11,12からの寒冷を受けたJT冷凍機のヘリウムガ
スが予冷され、このJT冷凍機によりSQUIDが極低
温レベルに冷却される。Next, when the valve disc 51 is rotated 90 ° and closed, the displacer 16 descends to the lower end position. With the above, one cycle of the operation of the expander 2 is completed, and thereafter, the same operation as described above is repeated. By repeating this, the two-stage heat stations 11 and 12 of the cylinder 10 are gradually cooled, and the helium gas of the JT refrigerator that has received the cold from the two-stage heat stations 11 and 12 is pre-cooled. Cooled to low temperature level.
【0037】また、切換バルブ63を動作させるために
第2圧力室の圧力が低圧から高圧、または高圧から低圧
に変化するのであるが、第5管路63kの途中部に小径
部63mを設けているのであるから、圧力変化をゆるや
かに行わせることができ、圧力変化に起因する第2圧力
室63dの温度上昇を抑制することができる。この結
果、特別に冷却装置を設ける必要がなくなる。ただし、
冷却装置を設けることが許容される場合には、小径部6
3mを省略することができる。In order to operate the switching valve 63, the pressure in the second pressure chamber changes from low pressure to high pressure or from high pressure to low pressure. A small diameter portion 63m is provided in the middle of the fifth pipe 63k. Therefore, the pressure change can be performed slowly, and the temperature rise of the second pressure chamber 63d due to the pressure change can be suppressed. As a result, it is not necessary to provide a special cooling device. However,
When it is permitted to provide a cooling device, the small diameter portion 6
3m can be omitted.
【0038】以上の説明から明らかなように、切換バル
ブ63の弁体63bを動作させるための圧力差がバルブ
モータ54からの圧力波と中間圧力により得られている
のではなく、バルブモータ54からの圧力波と膨張機2
の膨張空間の圧力とにより得られているのであるから、
十分に大きい圧力差を得ることができ、弁体63bを迅
速、かつスムーズに動作させることができ、ひいては膨
張空間のガス圧の切り換えに遅れ、なまりが生じるとい
う不都合の発生を防止することができる。As is apparent from the above description, the pressure difference for operating the valve element 63b of the switching valve 63 is not obtained by the pressure wave from the valve motor 54 and the intermediate pressure, but by the valve motor 54. Pressure wave and expander 2
Since it is obtained by the pressure of the expansion space of
A sufficiently large pressure difference can be obtained, the valve body 63b can be operated quickly and smoothly, and it is possible to prevent the inconvenience of delaying switching of the gas pressure in the expansion space and causing blunting. .
【0039】さらに、切換バルブ63のシールが不十分
な場合には高圧側の圧力室の圧力が多少低下し、または
低圧側の圧力室の圧力が多少上昇するが、中間圧力を基
準として弁体を動作させるための圧力差を得ているので
はなく、高圧と低圧とに基づいて弁体を動作させるため
の圧力差を得ているのであるから、弁体63bを迅速
に、かつスムーズに動作させることができる。Further, when the switching valve 63 is not sufficiently sealed, the pressure in the high-pressure side pressure chamber will drop slightly or the pressure in the low-pressure side pressure chamber will rise slightly, but the valve body will be referenced to the intermediate pressure. Since the pressure difference for operating the valve element is obtained based on the high pressure and the low pressure, not the pressure difference for operating the valve element 63b. Therefore, the valve element 63b can be operated quickly and smoothly. Can be made.
【0040】[0040]
【発明の効果】請求項1の発明は、バルブモータにより
発生する圧力波と膨張機の膨張空間圧力とにより切換バ
ルブの弁体を動作させるための圧力差を得るので、圧力
波と中間圧力とにより圧力差を得る場合と比較して圧力
差を大きくすることができ、弁体を迅速に、かつスムー
ズに動作させることができ、ひいては膨張空間のガス圧
の切り換えに遅れ、なまりを生じるという不都合の発生
を防止できるという特有の効果を奏する。また、中間圧
力が一定に保たれるため、ディスプレーサの動きが安定
し、冷凍能力も安定する。According to the first aspect of the present invention, a pressure difference for operating the valve body of the switching valve is obtained by the pressure wave generated by the valve motor and the expansion space pressure of the expander. The pressure difference can be increased as compared with the case where the pressure difference is obtained, and the valve element can be operated quickly and smoothly, which in turn delays the switching of the gas pressure in the expansion space and causes rounding. The unique effect of preventing the occurrence of is produced. Further, since the intermediate pressure is kept constant, the displacer moves stably and the refrigerating capacity also stabilizes.
【0041】請求項2の発明は、請求項1の効果に加
え、切換バルブにおける温度上昇を抑制することができ
るという特有の効果を奏する。According to the invention of claim 2, in addition to the effect of claim 1, there is a peculiar effect that the temperature rise in the switching valve can be suppressed.
【図1】この発明の一実施例としてのガス圧駆動式のG
M型極低温冷凍機のクールダウン運転状態の全体構成を
示す縦断面図である。FIG. 1 is a gas pressure drive type G according to an embodiment of the present invention.
It is a longitudinal cross-sectional view which shows the whole structure of the cooldown operation state of M type cryogenic refrigerator.
【図2】切換バルブの拡大縦断面図である。FIG. 2 is an enlarged vertical sectional view of a switching valve.
【図3】バルブ室に臨むバルブステム上面の平面図であ
る。FIG. 3 is a plan view of an upper surface of a valve stem facing a valve chamber.
【図4】バルブディスク下面の平面図である。FIG. 4 is a plan view of the lower surface of the valve disc.
【図5】一体型および別体型膨張機によるPV線図であ
る。FIG. 5 is a PV diagram of an integral type expander and a separate type expander.
1 圧縮機 2 膨張機 3 シリンダアッセンブ
リ 5 ガス給排口 10 シリンダ 16 ディスプ
レーサ 18,19 膨張室 45 ガス給排口 54 バルブモータ 63 切換バルブ 63b 弁体 63c 第1圧力室 63d 第2圧力室 63k 第5管路 63m 小径部1 Compressor 2 Expander 3 Cylinder assembly 5 Gas supply / discharge port 10 Cylinder 16 Displacer 18, 19 Expansion chamber 45 Gas supply / discharge port 54 Valve motor 63 Switching valve 63b Valve body 63c 1st pressure chamber 63d 2nd pressure chamber 63k 5th Pipe line 63m small diameter part
Claims (2)
る圧縮機(1)と、圧縮機(1)から供給された高圧ガ
スを断熱膨張させて極低温レベルの寒冷を発生させる膨
張機(2)とで構成された極低温冷凍機であって、 上記膨張機(2)が、ガス給排口(5)を介してシリン
ダ(10)内へガスを給排してディスプレーサ(16)
を往復動させ、シリンダ(10)内の膨張室(18,1
9)でガスを膨張させるシリンダアッセンブリ(3)
と、ガス給排口(5)を選択的に圧縮機(1)の吐出側
または吸入側に連通させる切換バルブ(63)と、切換
バルブ(63)を駆動する圧力波を発生するバルブモー
タ(54)とから構成され、 上記切換バルブ(63)が、弁体(63b)を往復動さ
せるための2つの圧力室(63c)(63d)を有して
いるとともに、ガス給排口(5)と圧縮機(1)の吐出
側とを連通すべく弁体(63b)を動作させるための圧
力室(63c)がバルブモータ(54)の圧力波発生部
(45)と連通され、ガス給排口(5)と圧縮機(1)
の吸入側とを連通すべく弁体(63b)を動作させるた
めの圧力室(63d)が膨張機(2)の膨張空間(5)
と連通されていることを特徴とする極低温冷凍機。1. A compressor (1) for compressing a refrigerant gas to generate a high-pressure gas, and an expander (a) for adiabatically expanding the high-pressure gas supplied from the compressor (1) to generate cryogenic level cold. And a displacer (16) in which the expander (2) supplies and discharges gas into and from the cylinder (10) through the gas supply and discharge port (5).
Reciprocatingly moving the expansion chamber (18, 1) in the cylinder (10).
Cylinder assembly (3) for expanding gas in 9)
A switching valve (63) for selectively connecting the gas supply / discharge port (5) to the discharge side or the suction side of the compressor (1), and a valve motor (a motor generating a pressure wave for driving the switching valve (63)). 54), the switching valve (63) has two pressure chambers (63c) (63d) for reciprocating the valve body (63b), and the gas supply / discharge port (5). The pressure chamber (63c) for operating the valve body (63b) so as to establish communication between the compressor and the discharge side of the compressor (1) is communicated with the pressure wave generation section (45) of the valve motor (54), and gas supply / discharge is performed. Mouth (5) and compressor (1)
The pressure chamber (63d) for operating the valve body (63b) to communicate with the suction side of the expansion space (5) of the expander (2).
A cryogenic refrigerator characterized by being communicated with.
ブ(63)とを接続するガス流路(63k)の所定位置
に、ガス流に対して抵抗として機能する小径部(63
m)を設けている請求項1に記載の極低温冷凍機。2. A small diameter portion (63) functioning as a resistance to a gas flow, at a predetermined position of a gas flow path (63k) connecting an expansion space of the expander (2) and a switching valve (63).
The cryogenic refrigerator according to claim 1, wherein m) is provided.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1483095A JPH08200865A (en) | 1995-01-31 | 1995-01-31 | Cryogenic refrigerator |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1483095A JPH08200865A (en) | 1995-01-31 | 1995-01-31 | Cryogenic refrigerator |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH08200865A true JPH08200865A (en) | 1996-08-06 |
Family
ID=11871963
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP1483095A Withdrawn JPH08200865A (en) | 1995-01-31 | 1995-01-31 | Cryogenic refrigerator |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH08200865A (en) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103574963A (en) * | 2012-08-07 | 2014-02-12 | 住友重机械工业株式会社 | Cryogenic refrigerator |
| CN103968591A (en) * | 2013-01-30 | 2014-08-06 | 住友重机械工业株式会社 | Cryogenic refrigerator |
| CN104075478A (en) * | 2013-03-28 | 2014-10-01 | 住友重机械工业株式会社 | Cryogenic refrigerator |
-
1995
- 1995-01-31 JP JP1483095A patent/JPH08200865A/en not_active Withdrawn
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103574963A (en) * | 2012-08-07 | 2014-02-12 | 住友重机械工业株式会社 | Cryogenic refrigerator |
| CN103968591A (en) * | 2013-01-30 | 2014-08-06 | 住友重机械工业株式会社 | Cryogenic refrigerator |
| CN104075478A (en) * | 2013-03-28 | 2014-10-01 | 住友重机械工业株式会社 | Cryogenic refrigerator |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20031211 |
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| A761 | Written withdrawal of application |
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